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Verfahren und Einrichtung zur Verminderung schädlichen Anteilen der
Abgase von Brennkraftmaschinen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verminderung
von schädlichen Anteilen der Abgase von Brennkraftmaschinen durch Regelung des Masseverhältnisses
des ddr Brennkraftmaschine zugeführten Betriebsgemisches mit Hilfe einer, die Abgas
zusammensetzung erfasaenden Abgasmeßsonde, insbesondere einer Sauerstoffmeßsonde,
deren Ausgangssignal einem eine Gemischverstellvorrichtung ansteuernden Regelverstärker
mit Iritegralverhalten über einen Schwellwertschalter zugeführt wird, dessen Schaltstellung
die Integrationsrichtung des Regelverstärkers bestimmt.
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Ein solches Regelungsverfanren, bei dem in Abhängigkeit vom Ausgangssignal
der Abgasmeßsonde eine Vergrößerung bzw. Verringerung der im Gemischerzeuger anteilig
zugegebenen Kraftstoffmenge bzw.
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Luftmenge erzielt wird, hat den Nachteil, daß die exakte Regelung
eines
gewünschten Gemisches durch die Totzeit, in der das erzeugte-Gemisch die Brennkraftmaschine
passiert und zur Abgasmeßsonde gelangt, beeinflußt wird. Die nach obigem Verfahren
betriebenen Gemischregeleinrichtungen weisen Integralverhalten auf, so daß bei längerer
Abweichung des Soll-Wertes der Abgaszusammensetzung eine immer stärkere Korrektur
des Masseverhältnisses Kraftstoff/ Luft des Eetriebsgemisches der Brennkraftmaschine
vorgenommen wird. Dies hat zur Folge, daß mit wachsender Totzeit bzw. mit geringer
werdender Durchsat zgs des Gemisches eine stärker werdende Abweichung der Abgaszusammensetzung
von von einem gewünschten Sollwert jeweils in der einen oder anderen Richtung auftritt.
Es kommt also in Abhängigkeit von der Drehzahl zu ständig wechselnden Abgas zusammenset
zungen, die insbesondere bei geringen Drehzahlen entsprechend dem Leerlauf der Brennkraftmaschine
lästige periodische Schwankungen. der Drehzahl (Sägen) mit sich bringen.
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Es ist ein Verfahren bekannt, bei dem bei der eingangs genannten Regeleinrichtung
der Regelverstärker jeweils nur während einer bestimmten Zeit in drehzahlabhängigem
Takt integriert. Damit wird erreicht, daß bei steigender Totzeit auch die Zeit wächst,
während der der Regelverstärker nicht integriert, so daß sich eine der Totzeit bzw.
der Drehzahl angepaßte mittlere Zeitkonstante ergibt, die kieiner als die am Regelverstärker
eingestellte Zeitkonstante ist. Für ein solches Regelverfahren ist jedoch eine aufwendige
Regeleinrichtung notwendig.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein dem vorgenannten bekannten Regelungsverfahren
entsprechendes Verfahren zu entwickeln, bei dem eine schnelle und genaue Nachregelung
der Betriebsgemischzusammensetzung unter Vermeidung jenes beschriebenen "Sägens"
mit geringem zusätzlichen Aufwand möglich ist. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung,
eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein mit dem Zeitablauf zwischen
zwei sich folgenden .Umschaltvorgängen -des Schwellwertschalters änderndes Signai
erzeugt wird, entsprechend dem die
Zeitkonstante des Regelverstärkers-geändert
wird.
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Weiterhin besteht eine erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe darin,
daß der Zeitablauf zwischen zwei sich folgenden Umschaltvorgängen des Schwellwertschalters
durch den Be- oder Entladevorgang eines Speichers erfaßt wird, dessen Ladezustand
die Zeitkonstante des Regelverstärkers beeinflußt. Eine weitere erfindungsgzmäße
Ausgestaltung besteht vorteilhaft darin, daß der Ausgang des Schwellwertschalters
über wenigstens zwei Widerstände mit dem Eingang des Regelverstärkers verbunden
ist und parallel zu wenigstens einem dieser Widerstände ein Kondensator geschaltet
ist.
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Auf diese Weise wird durch einfaches Einfügen eines Kondensators nach
jedem Umschalten aes Schwellwertschalters beim Regelverstärker entsprechend dem
zunächst schnellen Aufladevorgang des Kondensators eine große Zeitkonstante erzielt,
die mit zunehmender Aufladung des Kondensators und zunehmendem Einfluß des dazu
parallel liegenden Widerstands allmählich abnimmt. Durch diese sehr einfache Ausgestaltung
erhält man mit geringen Mitteln eine mit wachsendem Zeitabstand zwischen zwei Umschaltvorgängen
des Schwellwertschalters abnehmende Steigung des Spannungsanstiegs am Ausgang des
Regelverstärkers bzw. eine entsprechend abnehmende Zeitkonstante desselben.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung wird im folgenden beschrieben
und ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 den grobschematischen Verlauf
der Ausgangsspannung einer als Abgasmeßsonde dienenden Sauerstoffmeßsonde über der
Zeit im Verhältnis zu der am Regelverstärkerausgang auftretenden Spannung zur Ansteuerung
einer Verstellvorrichtung der Betriebsgemischzusammensetzung mit nicht angeglichener
Zeitkonstante, Fig. 2 den Spannungsverlauf am Regelverstärkerausgang mit angeglichener
Zeitkonstante und Fig. 3 den Stromlaufplan einer beispielhaften Ausführung der Erfindung.
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In Fig. 1 wird mit der oberen Kurve S schematisch der Verlauf des
Sondenausgangssignals Us über der Zeit angegeben. Bei der Sonde handelt es sich
um eine bekannte Sauerstoffmeßsonde, die auf unterschiedlicile Sauerstoffpartialdrücke
im Abgas reagiert und beim Übergang von einem sauerstoffarmen zu einem sauerstoffreichen
Abgas im Bereich einer Luftzahl von 2 = 1 nahezu eine Sprungfunktion besitzt. Dementsprechend
signalisiert die Sauerstoffmeßsonde mit einer hohen Ausgangsspannung ein reiches"
Gemisch mit einer Luftzahl von A zu 1 und mit einer niedrigen Ausgangsspannung ein
"armes" Gemisch mit einer Luftzahl ß) 1. Die untere Kurve in Fig. 1 zeigt den Verlauf
der Ausgangsspannung des Regelverstärkers über der Zeit in Relation zur Sondenspannung
auf. Dabei kann z.B. der Regelverstärker so geschaltet werden, daß bei Vorliegen
der hohen Sondenausgangsspannung der Regelverstärker in negativer Richtung integriert
und bei niedriger Ausgangs spannung in positive Richtung integriert. Entsprechend
dem Sondensignal ergibt sich also am Ausgang des Regelverstärkers eine zickzackförmig
verlaufende Kurve, deren Mittellinie einer Spannung entspricht, die geeignet wäre,
die Gemischverstelleinrichtung so zu verstellen, daß genau eine Luftzahl / = 1 erreicht
wird. Die Zeit, in der die Integration über den Mittelwert entsprechend = 1 hinaus
fortgesetzt wird, entspricht der Totzeit Tt der Regelstrecke.
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Diese Zeit verstreicht, bis das veränderte Gemisch zur Sauerstoffmeßsonde
im Abgassystem der Brennkraftmaschine gelangt und nun, da durch den Überschwingvorgang
das Gemisch zu mager geworden ist, den Regelverstärker im- Sinne einer rückläufigen
Integration ansteuert. Es ist daraus zu ersehen, daß sich in der Frequenz des Sondensignals
die Totzeit der Regelstrecke wiederspiegelt. Mit sinkender Durchsatzgeschwindigkeit
durch die Brennkraftmaschine nimmt diese Totzeit zu, so daß insbesondere bei niedrigeren
Drehzahlen die Amplitude der Abweichung von dem gewünschten Sollwert zunimmt. Die
dadurch entstehenden Gemischzusammensetzungen führen zu einem periodischen Schwanken
der Drehzahl, was sich vor allen Dingen im Leerlauf sehr störend bemerkbar macht.
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Würde jedoch die Zeitkonstante bzw. die Steigung des Spannungsanstiegs
am Ausgang des Regelverstärkers verringert werden, so würde die Ansprechgeschwindigkeit
der Regelung bei höheren Drehzahlen nicht ausreichend groß ein.
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Durch die in Fig. 3 dargesvellte Einrichtung ist es nun möglich, mit
einfachen Mitteln die Zeitkonstante zeitabhärigig zu verändern.
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Fig. 3 zeigt dabei zunächst im wesentlichen eine bekannte Regelschaltung,
mit einer Sauerstotfmeßsonde 1, die einen Schwellwertschalter 3 ansteuert, der wiederum
sein Ausgangssignal auf den Eingang eines Regelverstärkers 4 bringt. Der Ausgang
des Regelverstärkers ist mit einer Gemischverstellvorrichtung 5 verbunden, mit der
das Masseverhältnis von Kraftstoff/LuSt des der hier nicht weiter dargestellten
Brennkraftmaschine zugeführten Betriebsgemisches verändert wird.
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Der Schwellwertschalter 3 besteht aus einem Operationsverstärker 7,
auf dessen invertierenden Eingang über einen Widerstand 8 das Spannungssignal der
Sauerstoffmeßsonde 1 geführt wird. Der andere Ausgang der Sauerstoffmeßsonde liegt
auf einem gemeinsamen negativen Bezugspotential einer Versorgungsleitung 9. Der
nicht invertierende Eingang des Operatonsverstärkers 7 wird von einem Spannungsteiler
aus den in Reihe geschalteten Widerständen 11 und 12 zwischen der gemeinsamen Versorgungsleitung
9 und einer positives Potential Mhrerlen gemeinsamen Versorgungsleitung 14 versorgt.
Der Ausgang des Operationsverstärkers ist über einen Widerstand 15 an die Versorgungsleitung
14 angeschlossen und führt ferner über einen Widerstand 16 zur Basis eines PNP-Transistors
17. Der Emitter des Transistors 17 1wiegt am positiven Potential der Versorgungsleitung
14, während der Kollektor über einen Widerstand 18 zum Mittelabgriff eines aus den
in Reihe geschalteten Widerständen 19 und 20 gebildeten Spannungsteilers zwischen
den Versorgungsleitungen 9 und 14 rührt. Von diesem Spannungsteiler wird über zwei
in Reihe geschaltete Widerstände 21 und 22 der invertierende Eingang des aus einem
Operationsverstärker 24 bestehenden Regelverstärkers 4 versorgt. Damit der Operationsverstärker
24 Integralverhalten erhält, ist zwischen
dem Ausgang und dem invertierenden
Eingang des Operationsverstärkers ein Kondensator 25 geschaltet. Der-nicht invertierende
Eingang des Operationsverstärkers 24 wird von einem Spannungsteiler aus den Widerjtänden
26 und 27 zwischen den Versorgungsleitungen 9 und 14 versorgt. Der Ausgang des Operationsverstärkers
ist über eine Widerstand 28 auf das positive Potential der Versorgungsleitung 14
gelegt und ist ferner mit der nicht weiter ausgeführten Gemischverstellvorrichtung
5 verbunden.
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Insoweit entspricht die beschriebene Schaltung einer üblichen Regeleinrichtung,
die von einer Sauerstoffsonde angesteuert wird. Dabei karnj in anderer Ausgestaltung
natürlich auch zwischen den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 7 und
der Sauerstoffmeßsonde 1 ein Impedanzwandler geschaltet sein in For.;n einer Brückenschaltung
aus dem Spannungsteiler mit Widerständen 11 und 12 und jeweils einen Transistor
mit in Reihe dazu liegendem Widerstand, wobei einer der Transisto-ren von der Sonde
angesteuert wird. Auch kann zur genaueren Einstellung des Schwellwertschalters 3
der Spannungsteiler aus den Widerständen 11 und 12 mit einer stabilisierten Spannung
versorgt werden.
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Die in Fig. 3 dargestellte Einrichtung arbeitet folgendermaßen: je
nach Höhe des Ausgangssignals der Sauerstoffmeßsonde 1 wird am invertierenden Eingang
des Operationsverstärkers 7 der mit dem Spannungsteiler 11, 12 eingestellte Schwellwert
über- oder unterschritten. Das dementsprechend wechselnde Ausgangssignal wird zur
Basis des Transistors 17 geleitet, der durch das Ausgangssignal des Schwellwertschalters
entweder gesperrt oder durchgeschaltet wird. Bei einer hohen Ausgangsspannung des
Schwellwertschalters 3 entsprechend einer niedrigen Sondenspannung bleibt der Transistor
17 gesperrt, während er im umgekehrten Fall durchschaltet. Im Durchschaltfall wird
der Widerstand 18 parallel zum Widerstand 19 an das positive Potential der Versorgungsleitung
14 gelegt, so daß sich am Abgriff des Spannungsteilers eine höhere Spannung einstellt,
die über die Widerstände 21 und 22 auf den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers
24 gelangt. Bei-gesperrtem Transistor 17 wird dagegen
die Spannung
am Abgriff des Spannungsteilers aus den Widerständen 19 und 20 abgesenkt, so daß
auf den invertierenden Eingang des Operationslerstärkers 24 eine den Sollwert am
nicht invertierenden Eingang unterschreitende Spannung gelangt. Dementsprechend
ändert der Regelverstärker 4 seine Integrationsrichtung. Gleichzeitig wird die Gemischverstellvorrichtung
in Gegenrichtung angesteuert.
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In erfindungsgemäßer Ausgestaltung liegt nun parallel zu dem Widerstand
21, der in der Verbindung zwischen dem Spannungsteiler aus den Widerständen 19 und
20 und dem invertierten Eingang des Operationsverstärkers 24 liegt, ein Kondensator
29. Dieser Kondensator wird bei jedem Umschaltvorgang des Schwellwertschalters 3
bzw. des Transistors 17 umgeladen und überbrückt während seiner Umladezeit teilweise
den Widerstand 21, so daß anfänglich nur der Widerstand 22 am invertierenden Eingang
des Operationsverstärkers die .Zeitkonstante des Regelverstärkers bestimmt. Erst
mit steigender Aufladung des Kondensators gewinnt der Widerstand 21 zusätzlichen
Einfluß, so daß mit steigender Aufladung des Kondensators 29 die Zeitkonstante des
Regelverstärkers abnimmt. Der Einfluß, den der Kondensator auf die Zeitkonstante
des Regelverstärkers 4 hat, wird in der Fig. 2 dargestellt. Dort erkennt man, daß
nach einem Wechsel der Integrationsrichtung die Steigung bzw. die Zeitkonstante
zunächst einen großen absolutwert besitzt,der danach allmählich verringert wird.
Mit steigender Totzeit gewinnt die aus den Widerständen 21- und 22 bestimmte Zeitkonstante
entsprechend einem flachen Spannungsanstieg mehr Einfluß, so daß zu große Regelamplituden
bei großen Totzeiten vermieden werden.
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